Universumissa ei ole lähes mitään antimateriaa. Miksi?

Kun katsomme maailmankaikkeutta, kaikilla planeeteillaanja tähdet, galaksit ja klusterit, kaasu, pöly, plasma, näemme samat allekirjoitukset kaikkialla. Näemme atomien absorptio- ja emissiolinjoja, näemme, että aine toimii vuorovaikutuksessa muiden aineen muotojen kanssa, näemme tähtiä, tähtien, törmäysten, röntgensäteiden ja paljon muuta kuolemaa. On selvä kysymys, joka vaatii selityksen: miksi näemme kaiken tämän? Jos fysiikan lait määräävät aineen ja antimateriaalin välisen symmetriaa, universumia, jota havaitsemme, ei pitäisi olla olemassa.

Mutta olemme täällä, eikä kukaan tiedä miksi.

Miksi universumissa ei ole antiaineita?

Ajattele näitä kahta ristiriitaa, ensi silmäyksellä, tosiasiat:

Jokainen hiukkasten vuorovaikutuson koskaan havaittu millä tahansa energialla, ei koskaan luotu eikä tuhonnut yhtä ainemateriaalia luomatta tai tuhoamatta yhtä monta animaattia. Aineen ja antimateriaalin välinen fyysinen symmetria on hyvin tiukka, koska:

• joka kerta kun luomme kvarkin tai leptonin, luomme myös antiquarkia ja antileptonia;
• joka kerta, kun tuhka tai leptoni tuhoutuu, myös antiquark tai antilepton tuhoutuu;
• leptoneja ja antileptonejaon oltava tasapainossa koko Letpons-perheen kanssa ja joka kerta, kun kvarkki tai leptoni on vuorovaikutuksessa, törmäävässä tai hajoamassa, kvarkien ja leptonien kokonaismäärä reaktion lopussa (kvarkit miinus antiquark, leptonit miinus antileptonit) .

Ainoa keino muuttaa aineen määrää Universumissa merkitsi myös antimateriaalin määrän muuttumista samalla määrällä.

Ja vielä on toinen tosiasia.

Kun katsomme maailmankaikkeutta, kaikilla tähdillä,galaksit, kaasupilvet, klusterit, superklusterit ja suuret rakenteet, näyttää siltä, ​​että kaikki tämä koostuu aineesta, ei antimateriaalista. Kaikkialla ja kaikkialla, missä Universumissa esiintyy antimateriaa ja ainetta, hiukkasten tuhoamisen takia syntyy fantastinen energian vapautuminen.

Mutta emme näe mitään merkkejä tuhosta.antimateriaaliaineita suuressa mittakaavassa. Me emme näe mitään merkkejä siitä, että jotkut tähdet, galaksit tai planeetat, jotka näemme, ovat antimateria. Emme näe ominaista gammasäteilyä, jonka odotetaan näkevän, jos antimateriaali törmää aineeseen ja tuhoamaan. Sen sijaan, kaikkialla näemme vain asiaa, missä tahansa.

Ja se näyttää mahdottomalta. Toisaalta ei ole tunnettua tapaa tehdä enemmän asiaa kuin antiaine, jos käännymme hiukkasiin ja niiden vuorovaikutukseen maailmankaikkeudessa. Toisaalta kaikki, mitä näemme, koostuu ehdottomasti aineesta, ei antimateriaalista.

Itse asiassa havaitsimme aineen tuhoamisen jaantimateriaali joissakin äärimmäisissä astrofyysisissä olosuhteissa, mutta vain lähellä energianlähteitä, jotka tuottavat ainetta ja antimateriaalia yhtä suurina määrinä - esimerkiksi mustia reikiä. Kun antimateriaali törmää maailmankaikkeuden aineeseen, se tuottaa hyvin spesifisten taajuuksien gammasäteitä, joita voimme sitten havaita. Tähtienvälinen intergalaktinen väliaine on täynnä materiaalia, ja näiden gammasäteiden täydellinen puuttuminen on vahva signaali siitä, ettei antiainehiukkasia ole koskaan paljon, koska sen jälkeen aineen antimateriaalin allekirjoitus havaitaan.

Jos heität yhden bitin antimateriaammegalaksi, se kestää noin 300 vuotta ennen kuin se tuhoutuu aineen hiukkasella. Tämä rajoitus kertoo meille, että Linnunradassa antimateriaalin määrä ei voi ylittää 1 partikkelin arvoa kvadrillionia kohti (1015) suhteessa aineen kokonaismäärään.

Suuri mittakaava - satelliittivaa'atgalaksit, Linnunradan koon suuret galaksit ja jopa galaksien klusterit - rajoitukset ovat vähemmän tiukkoja, mutta silti erittäin vahvoja. Tarkasteltaessa etäisyyksiä useista miljoonista valovuosista kolmeen miljardiin valovuoteen, havaitsimme röntgensäteiden ja gammasäteiden puuttumisen, mikä voisi merkitä aineen ja antimateriaalin tuhoamista. Jopa suuressa kosmologisessa mittakaavassa 99,999% maailmankaikkeudessamme olemassa olevasta määrästä tulee varmasti olemaan edustettuna aineella (kuten meillä) eikä antimateriaalilla.

Miten saimme itsemme tällaisessa tilanteessaMaailmankaikkeus koostuu suuresta määrästä ainetta ja se sisältää lähes mitään antimateriaa, jos luonnonlakit ovat absoluuttisesti symmetrisiä aineen ja antimateriaalin välillä? No, on kaksi vaihtoehtoa: joko maailmankaikkeus syntyi enemmän kuin antiaineella, tai jotain tapahtui varhaisessa vaiheessa, kun maailmankaikkeus oli hyvin kuuma ja tiheä, ja aiheutti aineen ja antimateriaalin epäsymmetriaa, joka ei ollut siellä.

Ensimmäinen idea tutkia tieteellisesti ilman uudelleenrakentamistakoko maailmankaikkeus epäonnistuu, mutta toinen on hyvin vakuuttava. Jos maailmankaikkeudessamme on jotenkin syntynyt aineen ja antimateriaalin epäsymmetria, jossa se ei ollut alun perin, sitten toimivat säännöt pysyvät ennallaan. Jos olemme riittävän älykkäitä, voimme kehittää kokeellisia testejä, jotka paljastavat aineen alkuperän Universumissamme.

1960-luvun lopulla fyysikko Andrei Saharov määritteli kolme ehtoa, jotka olivat välttämättömiä baryogeneesille tai enemmän baryonien (protonien ja neutronien) luomiselle kuin baryoneja. Tässä ne ovat:

Universumin on oltava ei-tasapainoinen järjestelmä.

Sen on sisällettävä C- ja CP-rikkomukset.

On oltava vuorovaikutuksia, jotka rikkovat baryonin numeroa.

Ensimmäinen on yksinkertainen, koska se laajenee jaJäähdyttävä Universumi, jossa on epävakaita hiukkasia (ja anti-partikkelit), on määritelmän mukaan epätasapainossa. Toinen on myös yksinkertainen, koska C-symmetria (hiukkasten korvaaminen anti-hiukkasilla) ja CP-symmetria (hiukkasten korvaaminen peilinä heijastuneilla hiukkasilla) rikkoutuvat monissa heikoissa vuorovaikutuksissa, joihin liittyy outoja, lumottuja ja kauniita kvarkkeja.

Kysymys on edelleen siitä, kuinka murtaa baryonin numero. Kokeellisesti havaitsimme, että kvarkien ja antiquarkien ja leptonien välinen tasapaino antileptoneille on selvästi säilynyt. Hiukkasten fysiikan vakiomallissa ei kuitenkaan ole nimenomaista suojelulainsäädäntöä näille määrille erikseen.

Baryonin valmistaminen kestää kolme kvarkkiajokaiselle kolmelle kvarkille annamme baryoniluvun (B) 1. Samoin jokainen leptoni saa leptoniluvun (L) 1. Antiquarkeilla, anti-baryoneilla ja anti-blippeillä on negatiiviset numerot B ja L.

Mutta vakiomallin sääntöjen mukaanvain ero baryonien ja leptonien välillä. Oikeissa olosuhteissa et voi vain luoda lisää protoneja, vaan myös elektroneja. Tarkat olosuhteet eivät ole tiedossa, mutta Big Bang antoi heille mahdollisuuden toteutua.

Maailmankaikkeuden ensimmäiset vaiheetuskomattoman suurilla energialähteillä kuvatut: riittävän suuret, jotta jokainen tunnettu hiukkanen ja anti-partikkelit saadaan suurina määrinä Einsteinin kuuluisan kaavan E = mc2 avulla. Jos hiukkasten luominen ja tuhoaminen toimii mielestämme, varhainen universumi olisi pitänyt täyttää yhtä paljon hiukkasia ainetta ja antiaineita, jotka kääntyivät toisiinsa, koska käytettävissä oleva energia pysyi erittäin korkeana.

Maailmankaikkeuden laajentumisen ja jäähdytyksen myötäepävakaat hiukkaset, jotka on luotu runsaasti, romahtavat. Jos oikeat olosuhteet täyttyvät - erityisesti sokerin kolme ehtoa - tämä voi johtaa aineen ylimäärään antimateriaalin yli, vaikka se ei olisikaan alun perin siellä. Fyysikkojen haasteena on luoda elinkelpoinen skenaario, joka vastaa havaintoja ja kokeita, jotka voivat antaa sinulle riittävän ylimääräisen aineen antimateriaalin yli.

On olemassa kolme päämahdollisuutta tämän ylimääräisen aineen esiintymiselle antiaineella:

• Uusi fysiikka sähköiskun mittakaavassa voilisätä merkittävästi C- ja CP-rikkomusten määrää Universumissa, mikä johtaa asymmetriaan aineen ja antimateriaalin välillä. Standardimallin (sphaleron-prosessin kautta), jotka rikkovat B: tä ja L: tä (mutta säilyttävät B-L: n), vuorovaikutus voi luoda tarpeelliset määrät baryoneja ja leptoneja.
• Uusi neutriinofysiikka suurilla energioillajoka maailmankaikkeuden vihjeitä meissä voisi luoda leptonien perustavanlaatuisen epäsymmetrian: leptogeneesin. B-L: tä säilyttävät sphaleronit voisivat sitten käyttää leptonin epäsymmetriaa baryonin epäsymmetrian aikaansaamiseksi.
• Tai baryogeneesi suuren yhdistymisen teorian mittakaavassa, jos uusi fysiikka (ja uudet hiukkaset) esiintyy suuren yhdistymisen mittakaavassa, kun elektrolyyttinen voima yhdistyy vahvaan.

Näissä skenaarioissa on yhteisiä elementtejä, joten katsokaamme viimeistä, vain esimerkin vuoksi, ymmärtääkseen, mitä olisi voinut tapahtua.

Jos suuri yhdistymisen teoria on oikea,uudet, super-raskaat hiukkaset, joita kutsutaan X: ksi ja Y: ksi, joissa on sekä baryonimaisia ​​että leptonin kaltaisia ​​ominaisuuksia. Niiden kumppaneiden antimateriaalista on myös oltava anti-X ja anti-Y, vastakkaiset numerot B - L ja vastakkaiset varaukset, mutta samalla massalla ja eliniän. Nämä hiukkas-anti-partikkeliparit voidaan muodostaa suurina määrinä riittävän suurilla energioilla myöhemmin hajottamiseksi.

Joten me täytämme maailmankaikkeuden heidän kanssaan ja sitten nehajota. Jos meillä on C- ja CP-rikkomuksia, voi olla pieniä eroja hiukkasten ja anti-partikkelien (X, Y ja anti-X, anti-Y) hajoamisessa.

Jos X-hiukkasella on kaksi tapaa: hajoavat kahteen ylimpään kvarkkiin tai kahteen anti-bottom quarkiin ja positroniin, sitten anti-X: n on käytävä läpi kaksi sopivaa tapaa: kaksi anti-top-kvarkkia tai pohjakivi ja elektroni. On olemassa tärkeä ero, joka on sallittua, kun C- ja CP: ta rikotaan: X voi todennäköisesti joutua kahteen ylempään kvarkkiin kuin anti-X kahteen ylempään kvarkkiin, kun taas anti-X hajoaa todennäköisemmin alempaan kvarkkiin ja elektroniin kuin X - anti-top kvarkilla ja positronilla.

Kun tällä tavalla on riittävästi paria ja hajoamista, voit helposti saada ylimääräistä baryoneja antibaryonien (ja leptonien yli antileptonien) yli, missä se ei ollut aiemmin.

Tämä on vain yksi esimerkkiajatus siitä, mitä tapahtui. Aloitimme täysin symmetrisellä Universumilla, tottelemalla kaikkia tunnettuja fysiikan lakeja ja kuumalla, tiheällä, rikkaalla valtiolla, joka oli täynnä ainetta ja antimateriaa yhtä suurina määrinä. Käyttämällä mekanismia, jota emme ole vielä selvittäneet, Saharovin kolmen ehdon mukaan nämä luonnolliset prosessit loivat lopulta aineen ylimäärän antimateriaalin yli.

Se, että olemme olemassa ja koostuu aineestakiistaton; Kysymys kuuluu, miksi Universumimme sisältää jotain (ainetta) eikä mitään (loppujen lopuksi aine ja antiaine olivat yhtä jaettuja). Ehkä tässä vuosisadassa löydämme vastauksen tähän kysymykseen.

Miksi luulet, että universumissa ei ole lähes mitään antimateriaa? Kerro meille keskusteluissamme.